Glucose concentration detection in aqueous and biological solutions with microwave sensors

Resumen

Self-measuring the blood glucose level (BGL) is part and parcel of diabetes management. People with diabetes need to self-monitor their BGL several times per day, so that they can perform the right actuations (either with glucose intake or with insulin injections) according to each measurement. Currently, the measuring methods are invasive and uncomfortable, often leading to a reduced, intermittent number of measurements. The development of a reliable non-invasive method able to provide the user with their BGL in a comfortable way, with capabilities of continuous BGL measurement, seems therefore highly desirable. This thesis discusses the application of microwave sensors for the glucose concentration detection in aqueous and biological solutions. During the last years, some attempts have been made in the pursue of a non-invasive BGL measuring device. Among the studied principles, microwave technology has been shown to present convenient penetration depths for non-invasive measurements in the human skin and other biological tissues. With a proper configuration, these devices can achieve electrical responses sensitive to the glucose content of the medium being measured. This dissertation offers a comprehensive assessment of the feasibility of such approach, deepening on the sensor design guidelines, as well as on the detection of the glucose concentration in watery and biological solutions. Special emphasis is placed on its use in real application contexts, and on the open lines to be faced in the near future. The results achieved throughout this thesis are collected in four publications included in the Journal Citation Reports (JCR). The working principle of these sensors relies on the idea that the changes in the glucose concentration provoke variations in the dielectric permittivity of the medium. Thus, sensors whose electrical response is sensitive to the dielectric permittivity of the surrounding media should be able to perform as glucose concentration trackers. To provide for an adequate design, these changes in the permittivity must be characterized. At the beginning of the thesis, a transmission/reflection line is used to measure and characterize the dielectric permittivity of water–glucose solutions at concentrations relevant for diabetes purposes. With this information, sensor design guidelines are deeply discussed in the central part of the thesis. The sensors are focused on the microwave resonator as the fundamental component. Specifically, microstrip open-loop resonators are proposed with different configurations. The gap between the open ends is a highly capacitive area, and the response of the sensor is remarkably sensitive to the permittivity of the media in that area. These sensors are widely studied in this document, and the results of implementing and assessing them are shown. The sensors are tested with water–glucose solutions and multi-component human blood plasma solutions, and thorough discussion on their sensitivities is provided. Among different sensing parameters, the unloaded quality factor is highlighted. Taking one step ahead, a portable version of one of the sensors is developed in the last part of the thesis. This device is used for non-invasive BGL measuring of a large number of individuals in a real multi-center clinical scenario. A comprehensive experimental study aimed to real application is carried out to evaluate the feasibility of the proposal and to identify possible improvement aspects. Finally, as a result of the conclusions reached throughout the work collected in this document, the open lines to be addressed in the pursue of reliable non-invasive BGL measurement are discussed, presenting novel sensing approaches to deal with some of them. The global conclusions are briefly described at the end of the document. -------------------------------------------------------------------------------------------------------------- La medición del nivel de glucosa en sangre (NGS) es una parte fundamental del tratamiento de la diabetes. Las personas con diabetes deben medírselo varias veces al día, para poder realizar las actuaciones correspondientes (bien ingiriendo glucosa, bien con inyecciones de insulina) según el resultado de cada medida. En la actualidad, los métodos de medida son invasivos e incómodos, lo que a menudo resulta en un número reducido de medidas intermitentes. Por ello, parece bastante conveniente el desarrollo de un método de medida no invasivo capaz de proporcionar el NGS al usuario de una manera más cómoda, con la capacidad de medirlo continuamente. Esta tesis versa sobre la aplicación de sensores de microondas para la detección del nivel de glucosa en disoluciones acuosas y biológicas. A lo largo de los últimos años se han realizado algunos trabajos en busca de un dispositivo no invasivo de medida del NGS. De entre los principios estudiados, se ha mostrado cómo la tecnología de microondas presenta unas profundidades de penetración convenientes para las medidas no invasivas en la piel humana y otros tejidos biológicos. Con la configuración adecuada, estos dispositivos pueden alcanzar respuestas eléctricas sensibles al contenido de glucosa del medio que se mide. La presente disertación estudia este planteamiento con detalle, y muestra una evaluación exhaustiva de su viabilidad, ahondando en las pautas de diseño de los sensores, así como en la detección de la concentración de glucosa en disoluciones acuosas y biológicas. Se pone un especial énfasis en su uso en contextos reales de aplicación, y en las líneas abiertas que se deben encarar en el futuro cercano. Los resultados obtenidos durante el desarrollo de esta tesis han sido recogidos en cuatro publicaciones incluidas en el Journal Citations Reports (JCR). El principio de funcionamiento de estos sensores se basa en la idea de que los cambios en la concentración de glucosa conllevan variaciones en la permitividad dieléctrica del medio. Así, los sensores cuya respuesta eléctrica es sensible a la permitividad dieléctrica del entorno deberían poder actuar como identificadores de la concentración de glucosa. Para poder realizar un diseño adecuado, es necesario caracterizar estos cambios en la permitividad. Por este motivo, al inicio de la tesis se utiliza una línea de transmisión/reflexión para medir y caracterizar la permitividad dieléctrica de disoluciones de agua y glucosa a concentraciones relevantes para el contexto de la diabetes. Con esta información, la parte central de la tesis se centra en una detallada discusión de las pautas de diseño de los sensores. En este diseño, el resonador de microondas es un componente fundamental. Específicamente, se proponen resonadores microstrip de lazo abierto con diferentes configuraciones. El hueco que hay entre los extremos abiertos es un área muy capacitiva, y la respuesta del sensor es notablemente sensible a la permitividad del medio en ese espacio. Este documento estudia ampliamente este tipo de sensores, y hace una exposición de los resultados de su implementación y evaluación. Los sensores se prueban con disoluciones de agua y glucosa y disoluciones de plasma sanguíneo humano con múltiples componentes, y se ofrece una minuciosa discusión sobre su sensibilidad. De entre los diferentes parámetros observados en los sensores, se destaca el factor de calidad sin carga. Yendo un paso hacia adelante, en la parte final de la tesis se implementa una versión portable de uno de los sensores. Este dispositivo se utiliza para medir el NGS de una considerable cantidad de individuos en un escenario clínico real con diversos centros. Se lleva a cabo un exhaustivo estudio experimental con la intención de valorar la viabilidad de este enfoque, así como identificar posibles aspectos de mejora. Por último, como resultado de las conclusiones obtenidas a lo largo del trabajo recogido en este documento, se discuten las líneas abiertas que deben ser afrontadas en la búsqueda de la medida fiable no invasiva del NGS, y se proponen nuevos sistemas sensores en consecuencia. El documento concluye con una breve descripción de las conclusiones globales alcanzadas.